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EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
(43) Veröffentlichungstag:
07.08.2013 Patentblatt 2013/32 (21) Anmeldenummer: 12153648.6 (22) Anmeldetag: 02.02.2012
(51) Int Cl.:
C25B 1/10(2006.01) C25B 15/08(2006.01)
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME
(71) Anmelder: Siemens Aktiengesellschaft 80333 München (DE)
(72) Erfinder:
• Hammer, Thomas, Dr.
91334 Hemhofen (DE)
• Straub, Werner 91093 Hessdorf (DE)
• Most, Dieter, Dr.
91052 Erlangen (DE)
• Schäfer, Jochen, Dr.
90408 Nürnberg (DE)
• Tackenberg, Martin, Dr.
91301 Forchheim (DE)
• Datz, Armin, Dr.
91099 Poxdorf (DE)
• Dennerlein, Klaus 91058 Erlangen (DE)
• Huber, Norbert, Dr.
91052 Erlangen (DE)
• Reiner, Andreas, Dr.
91083 Baiersdorf (DE)
• Straub, Jochen 91054 Erlangen (DE)
(54) Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs sowie ein solcher Elektrolyseur (57) Die Effizienz eines Elektrolyseurs (2) zum Er-
zeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Zerlegung von Wasser wird gesteigert, indem Abwärme, die im Elektrolyseur (2) erzeugt ist, in einem Wärmeträgerme-
dium (WM) gespeichert wird, das Wärmeträgermedium (WM) einer Wasseraufbereitungsanlage (10) zugeführt wird und in der Wasseraufbereitungsanlage (10) mittels der Abwärme aus Rohwasser (RW) deionisiertes Was- ser (DW) hergestellt wird.
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Zerlegung von Wasser sowie einen sol- chen Elektrolyseur.
[0002] Die Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse eröffnet die Möglichkeit überschüssigen Strom in Form von Wasserstoff oder Sauerstoff zu speichern. Die eingebrachte elektrische Energie findet sich nach der Umsetzung zum größten Teil in der chemischen Energie der Produkte Wasserstoff und Sauerstoff wieder. Jedoch entstehen im Elektroly- seprozess neben den Produkten Wasserstoff und Sau- erstoff auch Verluste, die in Form von Reaktionswärme anfallen.
[0003] Der Elektrolyseprozess wird mit Frischwasser versorgt, wobei es sich in der Regel um vollentsalztes, insbesondere destilliertes Wasser handelt. Um eine Be- deckung der Elektrodenoberfläche des Elektrolyseurs mit Mineralien und sonstige Verunreinigungen zu verhin- dern, wird selbst Leitungswasser vor der Zufuhr zum Elektrolyseur gereinigt und deionisiert. Um Korrosion und Katalysatordeaktivierung zu vermeiden, darf im Wasser außerdem kein Chlorid enthalten sein. Beim Be- trieb des Elektrolyseurs wird das deionisierte Prozess- wasser nur teilweise zerlegt, ein Großteil des Prozess- wassers verbleibt in einem Prozesswasserkreislauf. Es muss jedoch zusätzliches deionisiertes Wasser nachge- liefert werden, um den Verbrauch am Prozesswasser im Elektrolyseuer zu kompensieren.
[0004] Deionisiertes Wasser, welches in einem Elek- trolyseur als Prozesswasser verwendet wird, muss vor- her aus einer Rohwasserquelle (z.B. Leitungswasser, Flusswasser, See- aber auch Meer- oder Brackwasser) gewonnen werden. Je nach Zugang zu einer hochwerti- gen oder einer minderwertigen Wasserquelle geschieht dies mit hohen energetischen Kosten und apparativem Aufwand. Dies mindert den Gesamtwirkungsgrad des Elektrolyseprozesses.
[0005] Die Aufbereitung des für die Wasserstoffpro- duktion durch Elektrolyse benötigten Wassers erfolgt im Allgemeinen getrennt vom eigentlichen Elektrolysepro- zess und wird daher auch für gewöhnlich nicht bei der Betrachtung des Wirkungsgrades des Elektrolysepro- zesses berücksichtigt. Wenn ein Teil der Wasseraufbe- reitung außerhalb der Elektrolyseanlage erfolgt, z.B. in- dem Trinkwasser aus von den lokalen Stadtwerken be- triebenen Trinkwasserleitungen verwendet wird, muss für dieses hochkonditionierte Wasser ein im Vergleich zur Entnahme z.B. von Flusswasser erhöhter Preis be- zahlt werden. Die energetischen Kosten laufen dann beim Betreiber der Trinkwasseraufbereitung auf, anstatt in den Gesamtwirkungsgrad eingerechnet zu werden.
[0006] Der Energieverbrauch zur Bereitstellung des deionisierten und entsalzten Wassers mindert die Effizi- enz des Elektrolyseprozesses. Es wird dabei entweder Trinkwasser verwendet oder dort wo kein Trinkwasser
verfügbar ist, müssen entsprechende Anlagen zur Auf- bereitung von minderwertigem Rohwasser bereitgestellt werden. Beides erhöht die Kosten des Elektrolysepro- zesses. In diesem Zusammenhang gilt es zu beachten, dass während der Elektrolyse erhebliche Mengen an elektrischer Energie in Wärmeenergie/Abwärme umge- wandelt werden, die zurzeit größtenteils ungenutzt ab- geführt werden.
[0007] Aus der DE 10 2005 011 316 A1 ist es beispiels- weise bekannt, die Wärme der im Elektrolyseur erzeug- ten Wasserstoff- und Sauerstoffströme an das für die Elektrolyse benötigte Wasser zum Vorwärmen abzuge- ben.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines Elektrolyseprozesses zu steigern.
[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Zerlegung von Wasser, wobei
- im Elektrolyseur erzeugte Abwärme in einem Wär- meträgermedium gespeichert wird,
- das Wärmeträgermedium einer Wasseraufberei- tungsanlage zugeführt wird, und
- in der Wasseraufbereitungsanlage mittels der Ab- wärme aus Rohwasser deionisiertes Wasser herge- stellt wird.
[0010] Die Aufgabe wird zudem erfindungsgemäß ge- löst durch ein Elektrolysesystem zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Was- ser mittels eines solchen Verfahrens. Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und be- vorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Elektrolysesystem übertragen.
[0011] Die Erfindung basiert auf der Idee die Abwärme, die im Elektrolyseur bei der Umwandlung von elektri- scher Energie in die Produkte Wasserstoff und Sauer- stoff in Form von Reaktionswärme anfällt, für die Her- stellung von deionisiertem Wasser zu verwenden. Für diesen Zweck ist eine Wasseraufbereitungsanlage vor- gesehen, die strömungstechnisch mit dem Elektrolyseur gekoppelt ist. Über ein Wärmeträgermedium, insbeson- dere eine Flüssigkeit, wird die Abwärme aus dem Elek- trolyseur insbesondere kontinuierlich abgeführt und ei- nem in der Wasseraufbereitungsanlage integrierten Wärmetauscher zugeführt. Das Wärmeträgermedium stellt somit eine Wärmequelle bei der Wärmeübertra- gung in der Wasseraufbereitungsanlage dar. Der Kreis- lauf des Wärmeträgermediums kann sowohl offen als auch geschlossen sein. In den Wärmetauscher wird zu- dem Rohwasser eingeleitet, welches im Rahmen eines thermischen Aufbereitungsprozesses mittels der Abwär- me aus dem Elektrolyseur entsalzt und deionisiert wird.
Die entscheidende Erkenntnis ist hierbei, dass die im Elektrolyseur anfallende Abwärme deutlich größer ist als die für die Wärmeaufbereitungsanlage erforderliche Menge an Wärme, so dass der Eigenverbrauch an Was-
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[0012] Der beschriebene Vorgang weist drei wesent- liche Vorteile auf. Zum einen können dank der Speiche- rung der Abwärme aus dem Elektrolyseprozess im Wär- meträgermedium Kosten für den Bezug von Kühlwasser oder einer Luftkühlung während des Elektrolysebetriebs eingespart werden, da die entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseur abgeführt wird. Zum anderen wird die Abwärme bei der thermischen Wasserbehandlung in der Wasseraufbereitungsanlage weiterverwendet, um deio- nisiertes Wasser herzustellen. Und zum dritten kann auf diese Weise so viel Rohwasser aufbereitet werden, dass nicht nur der Bedarf an Frischwasser für den Elektroly- seprozess abgedeckt wird, sondern auch Überschuss an aufbereitetem Wasser bleibt, das anderweitig verwendet werden kann.
[0013] Im Hinblick auf eine zweckdienliche Nutzung der im Verfahren verwendeten Betriebsmedien wird vor- teilhafterweise zumindest ein Teil des in der Wasserauf- bereitungsanlage deionisierten Wassers dem Elektroly- seur zugeführt. Somit ergibt sich automatisch ein be- darfsangepasster Medienstromausgleich. Wird durch den vermehrten Eintrag von elektrischer Energie viel Wasser in seine Elemente gespalten, so entsteht auch eine größere Menge an Abwärme, die wiederum in der thermischen Wasseraufbereitungsanlage zu einer er- höhten Produktion von deionisiertem Wasser führt. Zu- rückgeleitet kann das deioniserte Wasser den erhöhten Wasserverbrauch im Elektrolyseur decken.
[0014] Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungs- variante wird als Wärmeträgermedium für die Wasser- aufbereitungsanlage ein erwärmtes Prozesswasser aus dem Elektrolyseur verwendet. Dadurch ist insbesondere kein separates Wärmeträgermedium erforderlich, son- dern das Prozesswasser, welches nach der Elektrolyse ohnehin gekühlt werden muss, wird als unmittelbare Wärmequelle der Wasseraufbereitungsanlage zuge- führt. Vorzugsweise wird dabei nach der Wärmeabgabe in der Wasseraufbereitungsanlage zumindest ein Teil des Prozesswassers, gegebenenfalls nach einem zu- sätzlichen Reinigungsschritt, in den Elektrolyseur zu- rückgeführt. Dadurch, dass das Prozesswasser im Elek- trolyseprozess wiederverwendet wird, ist eine sehr ge- ringe Menge an frisch deionisiertem Wasser erforderlich.
[0015] Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausfüh- rungsvariante wird das Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Elektrolyseur und der Wasseraufbereitungsanlage umgepumpt. In die- sem Fall ist das Wärmeträgermedium ein anderes als das Prozesswasser nach dem Elektrolyseprozess oder das in der Wasseraufbereitungsanlage deionisierte Was- ser und es erfolgt nur eine thermische Wechselwirkung zwischen den o.g. Medien. Der Hauptvorteil dieser Aus- führung ist, dass die Druckregelung des Prozesswassers unabhängig vom Wärmeträgermedium-Kreislauf erfolgt, d.h. der Elektrolyseur kann problemlos unter Druck be-
trieben werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist, dass der Wärmeübertragungsvorgang kontinuierlich durch eine konstante Menge an Wärmeträgermedium durchgeführt wird und ein Zulauf von zusätzlichem Wär- meträgermedium somit in der Regel nicht erforderlich wird. Als Wärmeträgermedium sind hierbei sowohl Was- ser als auch geeignete Kühlmittel oder Thermoöle ge- eignet.
[0016] Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungs- variante wird als Wärmeträgermedium in der Wasserauf- bereitungsanlage deionisiertes Wasser verwendet. Hier- bei wird in einem ersten Verfahrensschritt Rohwasser der Wärmeaufbereitungsanlage zugeführt und vorge- wärmt. Das deionisierte Wasser wird anschließend dem Elektrolyseur zugeführt, wobei es insbesondere mit dem Prozesswasser im Elektrolyseur nicht vermischt wird. Im Elektrolyseur wird das deionisierte Wasser insbesondere auf eine Betriebstemperatur des Elektrolyseurs erhitzt, wobei es unmittelbar die Abwärme aus dem im Elektro- lyseur ablaufenden Prozess aufnimmt. Schließlich wird das erhitzte Wasser erneut dem Wärmetauscher der Wasseraufbereitungsanlage zugeführt, in der nun die Deionisierung durchgeführt wird.
[0017] Bevorzugt wird zumindest ein Teil des in der Wasseraufbereitungsanlage deionisierten Wassers re- mineralisiert. Durch die Remineralisierung des deioni- sierten Wassers kann Trinkwasser, Wasser zum Bewäs- sern sowie Wasser für weitere industrielle Prozesse her- gestellt werden.
[0018] Um den Bedarf von Prozess- oder Trinkwasser und den Bedarf von deionisiertem Wasser für den Elek- trolyseur bezüglich zeitlicher Schwankungen zu entkop- peln, wird zumindest ein Teil des in der Wasseraufberei- tungsanlage deionisierten Wassers zwischengespei- chert. Zusätzlich wird dadurch eine gewisse Unabhän- gigkeit von Schwankungen der Verfügbarkeit von Roh- wasser erreicht.
[0019] Zweckdienlicherweise erfolgt die Zerlegung von Wasser durch eine Membran-Elektroden-Einheit im Elektrolyseur. Eine derartige Membran-Elektroden-Ein- heit ist z.B. eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Ein PEM-Elektrolyseur arbeitet bei einer Temperatur zwi- schen 50°C und 130°C, typischerweise in einem Tem- peraturbereich zwischen 70°C und 90°C. Auf diesem Temperaturniveau kann die Abwärme des Elektrolyse- prozesses direkt benutzt werden, um die thermisch be- triebene Wasseraufbereitungsanlage zu "befeuern".
Entsprechend wird in der Wasseraufbereitungsanlage vorzugsweise eine Betriebstemperatur zwischen 50°C und 130°C, insbesondere zwischen 60°C und 100°C, ins- besondere zwischen 70°C und 80°C eingestellt. Heutzu- tage sind Wasseraufbereitungsprozesse bekannt, die im Gegensatz zur konventionellen Destillation auch schon bei Temperaturen von 60°C bis 70°C mit sehr guter Qua- lität arbeiten.
[0020] Als Beispiel für einen solchen Prozess wird in der Wasseraufbereitungsanlage bevorzugt Niedertem- peratur-Destillation zur Herstellung von deionisiertem
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Wasser angewendet. Der auf Verdunstung (d.h. der Pro- zess findet unterhalb der Siedetemperatur statt) und Re- kondensation basierende Prozess ist z.B. in der DE 10 2008 051 731 A1 beschrieben.
[0021] Nach einer alternativen, bevorzugten Ausfüh- rung wird in der Wasseraufbereitungsanlage zur Herstel- lung von deionisiertem Wasser Membran-Destillation an- gewendet. Die Membran-Destillation ist ein thermisch betriebener Separationsprozess, bei dem eine hydro- phobe Membran eine Barriere für die flüssige Phase ei- nes Wasserstroms darstellt, während die dampfförmige Phase die Membran durchdringt. Die treibende Kraft für den Prozess bildet ein Partialdampfdruckgefälle, wel- ches üblicherweise durch eine Temperaturdifferenz her- vorgerufen wird.
[0022] Vorzugsweise wird der Elektrolyseur autark in Bezug auf eine Trinkwasserversorgung betrieben, so dass die Elektrolyse abseits von einem Anschluss an ei- ner hochwertigen TrinkwasserVersorgung stattfindet.
Mit Trinkwasserversorgung ist hier eine Leitungswasser- versorgung bezeichnet, die insbesondere von einem lo- kalen Wasserversorger zur Verfügung gestellt wird.
[0023] Im Hinblick auf einen autarken Betrieb des Elek- trolyseurs wird zweckdienlicherweise als Rohwasser der Wasseraufbereitungsanlage Meerwasser, industrielles oder kommunales Abwasser (z.B. aus einer Kläranlage) oder Brackwasser zugeführt. Dadurch werden auch die Infrastrukturvoraussetzungen für eine autarke Elektroly- seanlage erfüllt. Es werden dabei auch "schlechte" Was- serquellen zur Versorgung des Elektrolyseurs nutzbar gemacht. Der Elektrolyseprozess produziert ausrei- chend Abwärme, um so viel deionisiertes Wasser aus einer Rohwasserquelle aufzubereiten, dass nicht nur der Elektrolyseur komplett damit versorgt werden kann, son- dern hochreines Wasser nach entsprechender Konditio- nierung für die Trinkwasserversorgung zur Verfügung stellt. Darüber hinaus produzieren Aufbereitungstechno- logien wie Niedertemperatur-Destillation oder Membran- Destillation Wasser mit so hohem Reinheitsgrad (Salini- tät < 10 ppm), das im Gegensatz zur Verwendung von Trinkwasser eine weitere Vorkonditionierung vor dem Einsatz im Elektrolyseur nicht notwendig ist. Es gibt be- reits Erfahrungen mit diesen Technologien bei der Auf- bereitung von Meerwasser, Brackwasser sowie Prozess- wasser in verschiedenen Industrien, so dass diese Pro- zesse auf eine breite Palette an Rohwasserquellen an- gewendet werden können.
[0024] In der Regel wird die Verlustwärme des Elek- trolyseurs durch Zwangs kühlung abgeführt. Dafür sind entsprechende Kühlflächen an einer Kühlvorrichtung vorgesehen. Vorteilhafterweise wird eine Kühlung des überschüssigen Prozesswassers in einer Kühlvorrich- tung des Elektrolyseurs durchgeführt, die in der Wasser- aufbereitungsanlage integriert ist. Indem die Kühlvorrich- tung einen integralen Bestandteil der Wasseraufberei- tungsanlagen bildet, wird der zusätzliche Vorteil erzielt, dass das investierte Kapital besser genutzt wird. Die Wasseraufbereitungsanlage kann dabei insbesondere
durch eine Nachrüstung der Kühlvorrichtung eines be- stehenden Elektrolyseurs aufgebaut werden.
[0025] Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Rohwasserzulauf in Abhängigkeit der Tempera- tur in der Wasseraufbereitungsanlage gesteuert oder ge- regelt. Hierfür wird die Temperatur in der Wasseraufbe- reitungsanlage mit Hilfe von Temperatursensoren ge- messen. Der Rohwasserzulauf wird derart geregelt, dass die Betriebstemperatur in der Wasseraufbereitungsan- lage einen Minimalwert, der für die Destillation des Roh- wassers erforderlich ist, nicht unterschreitet und gege- benenfalls unterhalb eines Maximalwertes bleibt, bei dem die Qualität der Wasserreinigung abnimmt. Der Mi- nimalwert hängt von der Auslegung der Wasseraufbe- reitungsanlage ab, wobei je niedriger der Minimalwert ist, desto größer ist der für den Gasumlauf erforderliche Volumenstrom an Wärmeträgermedium. Der Minimal- wert sollte insbesondere 60° nicht unterschreiten. Der Maximalwert hängt wiederum von den im Rohwasser vorhandenen Verunreinigungen und deren Dampfdrück- en als Funktion der Temperatur ab. Der Maximalwert kann dabei insbesondere höchstens so groß sein wie die Temperatur auf der Primärseite des Wärmetauschers (wenn keine zusätzlichen Heizvorrichtungen vorgese- hen sind).
[0026] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungs- variante wird ein Fluss des Wärmeträgermediums in Ab- hängigkeit von einer Betriebstemperatur im Elektrolyseur gesteuert. Auch hierfür sind Temperatursensoren vorge- sehen, die die Betriebstemperatur im Elektrolyseur ins- besondere kontinuierlich messen. Bei Abweichungen der Temperatur im Elektrolyseur von der gewünschten Betriebstemperatur wird der Fluss des Wärmeträgerme- diums entsprechend angepasst.
[0027] Zusätzlich zu den Temperatursensoren können auch geeignete elektrochemische Sensoren vorgesehen sein, welche die Wasserqualität des in der Wasserauf- bereitungsanlage destillierten Wassers überwachen.
[0028] Vorzugsweise wird die Menge des aufbereite- ten Rohwassers in Abhängigkeit von der Menge an Ab- wärme aus dem Elektrolyseur geregelt. Dadurch wird ge- währleistet, dass dem Elektrolyseur ausreichend Frisch- wasser zugeführt wird, so dass die erzeugte Abwärme abgeführt wird und dabei die Temperatur im Elektroly- seur innerhalb eines für den Elektrolyseprozess sinnvol- len Temperaturbereichs insbesondere konstant bleibt.
[0029] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht:
FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Elektro- lysesystems,
FIG 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektro- lyesystems, und
FIG 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Elektro- lysesystems.
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[0030] Gleiche Bezugszeichen haben in den verschie- denen Figuren die gleiche Bedeutung.
[0031] In FIG 1 ist ein Elektrolysesystem 1 umfassend einen Elektrolyseur 2 zum Erzeugen von Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 gezeigt. Im gezeigten Ausführungs- beispiel erfolgt eine Hochdruck-Elektrolyse mit Hilfe ei- ner hier nicht näher gezeigten Polymer-Elektrolyt-Mem- bran. Es ist jedoch auch möglich den Elektrolyseur 2 bei atmosphärischem Druck zu betrieben. Bestandteil eines PEM-Elektrolyseurs ist die protonendurchlässige Poly- mermembran (Proton-Exchange-Membrane), die auf beiden Seiten von mit Katalysator belegten Elektroden (Anode, Kathode) kontaktiert wird. An diese wird eine äußere Spannung angelegt und auf der Anodenseite des Elektrolyseurs 2 wird Wasser zugeführt. Beim Zersetzen des Wassers entstehen Sauerstoff, Elektronen und po- sitiv geladene Wasserstoff-Ionen. Die Wasserstoff-Ionen diffundieren durch die protonenleitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen aus dem äu- ßeren Stromkreis zu Wasserstoffmolekülen H2 kombi- nieren. Jedes der erzeugten Produktgase H2 und O2 wird in einer eigenen Gasableitung 4, 6 aus dem Elektrolyseur 2 abgeführt.
[0032] Der Elektrolyseprozess wird in FIG 1 über eine Hochdruckpumpe 9 mit dem benötigten Frischwasser FW versorgt. Es handelt sich hierbei um vollentsalztes, destilliertes Wasser mit einer Leitfähigkeit kleiner 1 mS.
Der Anoden- oder Sauerstoffseitige Wasserkreislauf um- spült die Membran, versorgt den elektrochemischen Pro- zess mit dem benötigten Wasser, das zersetzt wird, und führt neben der entstehenden Reaktionswärme auch das produzierte Sauerstoffgas ab. Während der Elektrolyse gelangt Wasser von der Anodenseite auf die Kathoden- seite durch die Polymer-Elektrolyt-Membran hindurch.
[0033] Das Prozesswasser PW, welches beim Elek- trolyseprozess nicht zersetzt ist, wird mit Hilfe einer Pro- zesswasserableitung 8 aus dem Elektrolyseur 2 abge- führt, da die Betriebstemperatur des polymerbasierten Elektrolyseurs 2 auf einen Temperaturbereich von 50°C bis 130°C beschränkt ist und somit eine kontinuierliche Abführung der im Elektrolyseur 2 entstehenden Reakti- onswärme notwendig ist. Die Prozesswasserableitung 8 ist dabei Teil eines Prozesswasserkreislaufs für den Elektrolyseur 2.
[0034] Das Elektrolysesystem 1 gemäß FIG 1 umfasst zusätzlich eine Wasseraufbereitungsanlage 10. Die Wasseraufbereitungsanlage 10 weist einen Wärmetau- scher 12 auf, in den primärseitig das Prozesswasser PW aus dem Elektrolyseur 2 über die Prozesswasserablei- tung 8 eingeleitet wird. Über eine Rohwasserleitung 14 wird der Wasseraufbereitungsanlage 10 Rohwasser RW, insbesondere aus einer natürlichen Quelle wie z.B.
Meerwasser, Brackwasser oder Seewasser, zugeführt.
Über die Rohwasserleitung 14 kann alternativ auch Was- ser aus einer industriellen Anlage, kommunales Abwas- ser aus einer Kläranlage oder auch Trink- oder Leitungs- wasser zugeführt werden.
[0035] Die Wasseraufbereitungsanlage 10 ist eine
Niedertemperatur-Destillationsanlage oder eine Mem- bran-Destillationsanlage, bei der dem Prozesswasser PW die Wärme entzogen und zur Aufbereitung des se- kundärseitigen Rohwassers RW verwendet wird. Das Prozesswasser PW stellt somit im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 ein Wärmeträgermedium WM dar. In der Wasseraufbereitungsanlage 10 wird dabei die im Wär- meträgermedium WM gespeicherte Abwärme aus dem Elektrolyseprozess dem Rohwasser zur Herstellung von frisch deionisiertem Wasser FM abgegeben.
[0036] Das in der Aufbereitungsanlage 10 entsalzte und destillierte Wasser, hier als Frischwasser FW be- zeichnet, wird anschließend über eine Deionat-Leitung 16 aus der Wasseraufbereitungsanlage 10 hinausgelei- tet und über ein Ventil 18 einer Versorgungsleitung 20 des Elektrolyseurs 2 zugeführt. Über das Ventil 18 wird deionisiertes Wasser DW, das sich aus dem Frischwas- ser FW und aus dem gekühlten Prozesswasser PW zu- sammensetzt, geregelt. Das abgekühlte Prozesswasser PW wird über eine Leitung 22 zunächst in einen Was- sertank 24 befördert, von wo aus es insbesondere nach einem Reinigungsschritt ebenfalls über das Ventil 18 der Versorgungsleitung 20 in den Elektrolyseur 2 einge- pumpt wird. Parallel wird über eine Ableitung 26 das beim Destillieren des Rohwassers RW anfallende Abwasser- Konzentrat aus der Wasseraufbereitungsanlage 10 ent- sorgt.
[0037] In FIG 1 ist der Wassertank 24 lediglich für das Prozesswasser PW, welches beim Elektrolyseprozess wieder verwendet wird, vorgesehen, während das Frischwasser FW insbesondere kontinuierlich dem Elek- trolyseur 2 zugeführt wird. Es ist jedoch möglich, auch Frischwasser FW in der Deionat-Leitung 16 zunächst zu speichern, bevor es dem Elektrolyseur 2 zugeführt wird oder für weitere Zwecke verwendet wird.
[0038] Die in der Wasseraufbereitungsanlage 10 herr- schende Betriebstemperatur beträgt z.B. ca. 70°C. Auf- grund der Art der Wasseraufbereitungsanlage 10 ist die- se Temperatur jedoch ausreichend, um das Rohwasser RW aus der Leitung 14 derart aufzubereiten, dass es sich als Prozesswasser PW für den Elektrolyseprozess eignet.
[0039] Über einen ersten Temperatursensor TS1 wird kontinuierlich die Temperatur in der Wasseraufberei- tungsanlage 10 gemessen. In Abhängigkeit dieser Tem- peratur wird dabei der Rohwasserzulauf RW geregelt.
Hierfür sind in Bezug auf die gemessene Temperatur ei- ne untere und eine obere Grenze bzw. ein Minimalwert und ein Maximalwert zu berücksichtigen. Wenn die Tem- peratur den Minimalwert von ca. 60°C erreicht hat oder unterhalb des Minimalwertes liegt, wird der Rohwasser- zulauf RW reduziert oder gar unterbrochen. Bei einem deutlichen Anstieg der Temperatur in der Wasseraufbe- reitungsanlage 10 wird der Rohwasserzulauf RW dage- gen erhöht. Der Maximalwert für die Temperatur in der Wasseraufbereitungsanlage 10 wird so festgelegt, dass das Destillat die Anforderungen an die geforderte Rein- heit noch erfüllt. Bei Salzwasser ohne weitere Verunrei-
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nigungen sind Temperaturen bis 90°C tolerabel, bei Wässern mit öligen Verunreinigungen können Tempera- turen unter 80°C erforderlich sein.
[0040] Ein ähnlicher Regelungsvorgang findet auch im Elektrolyseur 2 statt, dessen Betriebstemperatur durch einen weiteren Temperatursensor TS2 gemessen wird.
Der Zufluss an deionisiertem Wasser DW, weiterhin auch als Deionat bezeichnet, in den Elektrolyseur 2 wird so geregelt, dass die Betriebstemperatur im Elektrolyseur 2 einen vorgegebenen Wert, der einen einwandfreien Be- trieb des Elektrolyseurs 2 gewährleistet, nicht übersteigt.
[0041] Weiterhin wird der Rohwasserzulauf RW in Ab- hängigkeit von der Menge an Abwärme aus dem Elek- trolyseur 2 geregelt. Wird im Elektrolyseur 2 immer mehr Prozesswasser PW in seine Elemente gespalten, so ent- steht auch eine vergrößerte Menge an Abwärme. Diese Abwärme führt in der Wasseraufbereitungsanlage 10 wiederum zu einer erhöhten Produktionsrate an Reinst- wasser, insbesondere an Deionat DW, welches in den Elektrolyseur 2 eingeleitet wird und dort den erhöhten Wasserverbrauch decken kann.
[0042] Eine zweite Ausführungsvariante eines Elektro- lysesystems 1 ist aus FIG 2 ersichtlich. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zur Anordnung gemäß FIG 1 ist, dass bei der zweiten Ausführungsvariante ein ge- schlossener Kreislauf für das Wärmeträgermedium WM vorgesehen ist. Hierfür umfasst auch der Elektrolyseur 2 einen Wärmetauscher 28. Das Wärmeträgermedium WM, welches hierbei sowohl Kühlwasser als auch ein anderes Kühlmittel sein kann, wird in den Wärmetau- scher 28 des Elektrolyseurs 2 eingepumpt und speichert dort die Abwärme des Elektrolyseprozesses ab, wobei sich das Wärmeträgermedium WM auf eine Temperatur zwischen 50°C und 100°C aufheizt, wenn das Wärme- trägermedium WM unter Druck ist, kann seine Tempe- ratur auch bis zu 130°C betragen. Über eine Kreislauf- leitung 30 wird das aufgeheizte Wärmeträgermedium WM dem Wärmetauscher 12 der Wasseraufbereitungs- anlage 10 zugeführt und gibt seine Wärme an das Roh- wasser RW ab. Das Rohwasser RW unterliegt in der Wasseraufbereitungsanlage 10 einem Verdunstungs- vorgang sowie einem anschließenden Kondensations- vorgang, wobei Deionat DW hergestellt wird, welches als Frischwasser FW über die Versorgungsleitung 20 direkt in den Elektrolyseur 2 eingeleitet wird. Das Abwasser- Konzentrat, das beim Destillationsprozess zurückbleibt, wird über die Ableitung 26 z.B. ins Meer zurückgeführt.
[0043] Auch beim Elektrolysesystem 1 gemäß FIG 2 wird die Betriebstemperatur im Elektrolyseur 2 mittels des Temperatursensors TS2 gemessen und entspre- chend wird der Kreislauf für das Wärmeträgermedium WM sowie der Rohwasserzulauf RW gesteuert bzw. ge- regelt.
[0044] Ein drittes Ausführungsbeispiel für die Anord- nung und die strömungstechnische Verbindung des Elektrolyseurs 2 mit der Wasseraufbereitungsanlage 10 ist in FIG 3 gezeigt. Gemäß FIG 3 wird über die Rohwas- serleitung 14 als Rohwasser RW z.B. Meerwasser mit
einer Temperatur unterhalb 20°C zugeführt. In dem Wär- metauscher 12 wird das Rohwasser RW vorgewärmt und anschließend wird es über eine Leitung 32 dem zweiten Wärmetauscher 28, der dem Elektrolyseur 2 zugeordnet ist, zugeführt. Im Wärmetauscher 28 wird das Rohwasser RW aufgrund der Abwärme, die beim Elektrolyseprozess entsteht, erhitzt und über die Warmwasserleitung 34 zu- rück in die Wasseraufbereitungsanlage 10 geführt. Erst in der Wasseraufbereitungsanlage 10 in Kontakt mit Luft verdunstet das aufgeheizte Rohwasser RW in einem Verdunster und anschließend kondensiert es, so dass Deionat DW entsteht, welches über die Deionat-Leitung 16 aus der Wasseraufbereitungsanlage 10 hinausge- führt wird.
[0045] Das deionisierte Wasser oder Deionat DW wird im gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst in einem Wassertank 36 zwischengespeichert. Über die Versor- gungsleitung 20 wird ein Teil des deionisierten Wassers DW als Frischwasser FW zurück in den Elektrolyseur 2 gepumpt. Ein anderer Teil des deionisierten Wassers DW wird remineralisiert, indem es z.B. einem Kiesbett 38 zugeführt wird, so dass Trinkwasser TW hergestellt wird, welches über eine Trinkwasserleitung 40 in das städtische Trinkwasser-Versorgungsnetz eingeleitet wird oder alternativ für weitere industrielle Prozesse ver- wendet wird. Möglich ist auch, dass das in der Aufberei- tungsanlage 10 deionisierte Wasser DW in einen Frisch- wasserstrom FW und einen Trinkwasserstrom TW geteilt wird, ohne dass das Deionat DW in einem Wassertank 36 zwischengespeichert wird. Anstelle der Reminerali- sierung im Kiesbett 38 kann außerdem eine andere Art von Aufbereitung des deionisierten Wassers DW statt- finden, so dass sich dieser Wasserstrom zumindest als Prozesswasser in einem anderen industriellen Prozess eignet.
[0046] Auch bei der Anordnung gemäß FIG 3 erfolgt eine Temperaturmessung in der Wasseraufbereitungs- anlage 10 sowie im Elektrolyseur 2 und auf Grundlage der gemessenen Werte wird der Rohwasserzufluss RW geregelt (in diesem Fall stellt das Rohwasser RW auch das Wärmeträgermedium WM für die Abfuhr der Abwär- me aus dem Elektrolyseur 2 dar).
[0047] Die Elektrolysesysteme 1 gemäß FIG 1 bis FIG 3 zeichnen sich alle dadurch aus, dass sie autark in Be- zug auf eine Trinkwasserversorgung sind. Sie eignen sich somit für einen sogenannten Inselbetrieb. Insbeson- dere in den Fällen, in denen ein Teil des deionisierten Wassers DW weiter verarbeitet wird (Remineralisierung) kann die Abwärmenutzung aus dem Elektrolyseur 2 zur Entsalzung von Meerwasser und Herstellung von Trink- wasser TW in wasserarmen Gegenden in Küstennähe benutzt werden.
Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (2) zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch
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Zerlegung von Wasser, wobei
- im Elektrolyseur (2) erzeugte Abwärme in ei- nem Wärmeträgermedium (WM) gespeichert wird,
- das Wärmeträgermedium (WM) einer Wasser- aufbereitungsanlage (10) zugeführt wird, und - in der Wasseraufbereitungsanlage (10) mittels der Abwärme aus Rohwasser (RW) deionisier- tes Wasser (DW) hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zumindest ein Teil des deionisierten Wassers (DW) dem Elektrolyseur (2) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei als Wärmeträgermedium (WM) ein erwärmtes Prozesswasser (PW) aus dem Elektrolyseur (2) ver- wendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
wobei das Wärmeträgermedium (WM) in einem ge- schlossenen Kreislauf (30) zwischen dem Elektroly- seur (2) und der Wasseraufbereitungsanlage (10) umgepumpt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
wobei als Wärmeträgermedium (WM) in der Was- seraufbereitungsanlage (10) deionisiertes Wasser (DW) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
wobei zumindest ein Teil des in der Wasseraufbe- reitungsanlage (10) deionisierten Wassers remine- ralisiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
wobei das in der Wasseraufbereitungsanlage (10) deionisierte Wasser (DW) zwischengespeichert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die Zerlegung von Wasser durch eine Membran-Elektroden-Einheit erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei in der Wasseraufbereitungsanlage (10) eine Betriebstemperatur zwischen 50°C und 130°C, insbesondere zwischen 60°C und 100°C, insbeson- dere zwischen 70°C und 80°C, eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei zur Herstellung von deionisiertem Wasser (DW) in der Wasseraufbereitungsanlage (10) Nie-
dertemperatur-Destillation angewendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei zur Herstellung von deionisiertem Wasser (DW) in der Wasseraufbereitungsanlage (10) Mem- bran-Destillation angewendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei der Elektrolyseur (2) autark in Bezug auf eine Trinkwasserversorgung betrieben wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei der Wasseraufbereitungsanlage (10) als Rohwasser (RW) Meerwasser, industrielles oder kommunales Abwasser oder Brackwasser zugeführt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei eine Kühlung des überschüssigen Pro- zesswassers in einer Kühlvorrichtung (12) des Elek- trolyseurs (2) durchgeführt wird, die in der Wasser- aufbereitungsanlage (10) integriert ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei ein Rohwasserzulauf (RW) in Abhängig- keit der Temperatur in der Wasseraufbereitungsan- lage (10) geregelt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei ein Fluss des Wärmeträgermediums (WM) in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur des Elektrolyseurs (2) geregelt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die Menge des aufbereiteten Rohwas- sers (RW) in Abhängigkeit von der Menge an Ab- wärme aus dem Elektrolyseur (2) geregelt wird.
18. Elektrolysesystem (1) zum Erzeugen von Wasser- stoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser mittels eines Verfahrens nach einem der vorherge- henden Ansprüche.
EP 2 623 640 A1
EP 2 623 640 A1
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IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente
• DE 102005011316 A1 [0007] • DE 102008051731 A1 [0020]
